以下文章來源於知識自動化 ，作者張偉 郭志鵬
誰在驅動汽車製造的飛躍
自從2009年中國成為全球最大的汽車銷售市場，連續十一年保持不變。而自主品牌也很爭氣，市場份額也達到40%以上。這背後是一個巨大的零部件市場，2021年規模將達到4.3萬億元。然而，目前只有不到20%的零部件實現了完全自主供應，絕大多數零部件產業仍然由外企壟斷。實際上，汽車整車及零部件仍是我國第二大類進口工業品，僅次於集成電路。
而作為民用工業品的皇冠，汽車由超過2萬個零件構成。一輛汽車的總成本中，零部件成本要佔到70%-80%。汽車零部件的質量決定了汽車整個生命周期質量的可靠性和穩定性。汽車產業發達國家的零部件和整車產業鏈的產值比例，一般超過1.7:1，而我國只有1:1，國內汽車零部件外資、合資企業平均利潤率約為10-15%，而自主企業利潤率大部分在2-3% 。
那麼皇冠製造中的低端製造區，如何破局？
CAE仿真是答案之一。
計算機仿真CAE軟體可以顯著減少試驗頻次，降低研發成本，而且研發周期也縮短了40%以上（由過去5年縮減至3年）。最近上汽通用五菱的爆款車，宏光Mini作為電動車銷量冠軍，僅用了不到2年時間。經過三十多年的發展，汽車行業基本形成了從產品概念設計到樣車試製，從性能優化到後續量產的全過程覆蓋的仿真體系，顯著增強了汽車設計的創新力度。
正是CAE技術和汽車工業的緊密結合，使得汽車核心零部件行業在研發和設計上不斷取得質的飛躍。
CAE軟體生態
CAE軟體在全球製造業的應用日益成熟，2019年市場總量達到73億美金，並保持著9.3%的平均增速，預計2027年全球市場總量將達到149億美金。聚焦國內CAE市場，2019年市場總量達到15億美金，並保持將近15%的強勁增速。
從細分領域來看，航空航天及軍工行業CAE市場總量將近30億美金，約佔42%的市場份額；其次是汽車等交通運輸行業，將近14.6億美金，約佔20%市場份額。國內外細分領域市場份額的佔比差異不大，但從應用趨勢看，國內CAE市場主體主要是大中型製造業，而歐美市場主體則由中小型企業構成，這從側面也印證了我國製造業大而不強的現實。
聚焦汽車領域，如上所述，2019年CAE市場總量達到14.6億美金，按年增速11%預測，2025年總體量將達到29億美金。從市場分布來看，2019年北美CAE市場總量達到5.5億美金，約佔全球38%的份額；以中國、日本為主的亞洲市場，市場總量與北美相當；其次是歐洲市場，市場總量將近3.5億美金，約佔全球22%的市場份額。進一步分解亞洲市場，中國的汽車領域中，CAE市場尚不足1億美金（約8000萬美金），這一數據表明：CAE應用的普及程度和汽車製造第一大國的地位尚有一定距離。
從汽車工業CAE應用的四個方面來看，以安全碰撞和空氣動力學優化為主的汽車主機廠，CAE市場總量約為3.5億，佔汽車CAE總量的24%，而以輕量化和製造工藝仿真為主的一二級供應商，CAE市場總量總計為11億美金，佔比分別為63%和13%。三四級供應商CAE市場已歸併在一二級供應商市場總量內，不單獨列出。
汽車領域仿真軟體的服務模式仍然以本地部署桌面版軟體為主，市場總量約為11.2億美金，佔比為75%；與之相對應，雲計算模式佔比約為30%，市場總量約4.4億美金。但需要指出，以雲計算為核心的SaaS（軟體即服務）模式由於其易於快速部署和擴容，同時維護使用成本低，將迎來更為迅猛的增長。
CAE主導的製造革新
近十年間，新能源汽車的蓬勃發展正在引領汽車產業鏈的不斷革新，尤其是越來越嚴苛的汽車輕量化要求，使汽車零部件結構設計和製造工藝面臨著嚴峻的考驗。
加大汽車鋁合金壓鑄件的比例是新能源汽車輕量化的主要措施，以鋁化率30%計算，預計2025年鋁合金零部件市場將有望達到3400億元規模，而壓鑄件市場份額預計將達到60%，約為2100億元規模。傳統高強鋼衝壓+焊接的零件結構設計和製造工藝正在被鋁合金壓鑄結構件全方位顛覆，引領這場變革的正是美國電動車企特斯拉。
特斯拉Model S系列車型中，95%的結構採用鋁合金材料。Model Y通過採用一體化鋁合金車架壓鑄件，在實現輕量化需求的同時，大幅縮短了白車身的生產時間。一體化壓鑄件消除了將近1500個焊點，總共節省了近120分鐘的生產時間。特斯拉掀起了以鋁代鋼，以壓鑄代替衝壓的汽車核心零部件產業鏈的變革新潮。
一體式鋁合金壓鑄技術通過減少零部件、模具和連接點的數量，從而提高生產效率，最終實現綜合成本的降低，對全球汽車行業的變革產生了深遠的影響。而CAE仿真技術的研發和應用對變革進程具有決定性的意義。特斯拉在2019年的研發費用約為13.4億美金，其中很大一部分用於一體式壓鑄技術的研發。特斯拉在該工藝研發過程中，專門成立了壓鑄CAE仿真技術研發團隊，開發了多壓室壓鑄成型仿真軟體，通過虛擬仿真快速驗證可行性，大幅縮短了開發周期。可以看出，CAE在汽車核心零部件的開發過程扮演著相當關鍵的角色，但在國內自主車企中，其價值被一直低估。
粗放生產不打破不行
影響汽車壓鑄件成品率的因素眾多，但70%取決於壓鑄模具的設計水平。觀察國內外技術領先的壓鑄企業，如中信戴卡，豐田合成等，模具前期方案開發周期約為1-2個月，在此期間，模具設計師會做3-5種不同的方案，通過CAE仿真確認較優的方案，然後基於該方案進行深入的迭代優化，設計變革高達二、三十次，有時甚至上百次。通過這種迭代優化設計的模具，一次試模成功率可以高達95%，壓鑄成品率則可以高達98%。而反觀國內大多數壓鑄企業，模具前期方案開發周期僅為1-2周，通常只足夠三維CAD建模。如此短的設計周期，對於核心的澆注系統設計和模具熱平衡冷卻設計的迭代優化是遠遠不夠的。1-2周時間只允許模具設計師出具1-2種設計方案，CAE模擬仿真也僅用於預測並避免重大的設計失誤，對於迭代優化根本發揮不出應有的價值。
壓鑄件成品率和企業利潤息息相關，如果鑄件的盈虧平衡點為85%，98%成品率所帶來的利潤率是90%，成品率對應利潤率的2.5倍。國內壓鑄廠的平均成品率為92%，德國壓鑄廠的平均成品率為98%，可以看出利潤率差距會非常大，德國約為中國的2倍。
國內一家前50強的壓鑄企業，從國外鑄件獲取訂單，到第一批樣件交付，僅有2個月的時限。該企業不具備模具設計加工能力，模具通過外委的方式交由寧波當地一家知名模具企業設計加工。由於工期和成本的壓縮，模具設計質量很差，僅能勉強交付樣件。後隨著訂單上量批量生產時，鑄件成品率僅有5%不到，產能嚴重不足。迫於訂單壓力，該公司只能硬著頭皮繼續虧損生產，依靠X射線探傷儀來遴選合格鑄件。這種模式離企業盈利已經相去甚遠了。值得一提的是，這不是該企業獨有的問題，相反，這是中小型壓鑄企業一種常態，大部分企業疲於奔命，一方面訂單獲取越來越難，一方面又由於產能低下、成本無法控制而遊走在奔潰的邊緣。
由於歷史原因，國內壓鑄企業多重設備輕技術，導致模具設計能力多掌握在模具廠手中。而模具廠大多數是由機加工起家，通常只精通機加工工藝，對壓鑄工藝技術原理一知半解，因此導致很多模具設計形似神不似，甚至完全違背了壓鑄工藝設計原則。
雪上加霜的是，國內自主零部件供應商，連基本的鑄造模擬仿真軟體都不具備。國內壓鑄及模具企業將近三萬家，整體大而不強，市場競爭日趨白熱化，大部分企業面臨著極大的生存壓力。為提高市場反應能力和控制成本，國內零部件廠家對CAE的需求相對國外廠家表現的更為旺盛和迫切。但由於現有仿真軟體多為桌面版軟體（許可證授權），動輒上百萬元的部署成本很大程度上束縛了企業建設數位化能力的雙手。但這種局面已經在被國產雲化CAE軟體所打破。實際上，雲化CAE軟體，有可能彌補知識的不足，為企業大幅度降低使用門檻。智鑄超雲就是一種國產CAE軟體的創新嘗試，通過雲計算的模式，可以將計算成本降低90%，讓零部件企業無需購置硬體和仿真軟體；而底層高性能算法技術創新並依託國家超算硬體，將計算速度提升10倍以上。無論是專業知識，還是計算成本和速度，都可以為國內企業的研發設計提供全新的知識助力。
可以說，無論是對於產業鏈頂端的主機廠，還是核心零部件，數位化設計能力很多時候並非是成本制約，而是認識水平導致。
瘸腿的CAE仿真能力
國內零部件供應鏈的自主化進程乏力，如果深究其原因，可以用「嚴重路徑依賴」幾個字概括。早期國內汽車主機廠，包括零部件產業鏈的發展，多由國外合資品牌直接進行技術轉讓，以幾大自主車企為例，研發投入多用在車身開發和總成設計上，對零部件的研發缺乏重視。同時由於主機廠缺乏專門人才，零部件研發多直接轉移到一二級供應商手裡。而供應商對零部件功能缺乏系統認識，導致其設計創新乏力，無法產生顛覆式的創新。這也導致了技術難度大，高附加值的零部件仍然依賴國外供應商，供應鏈本土化依舊停留在較低水平。反觀國外，汽車零部件的研發多由主機廠主導，零部件供應商深度參與，主機廠將核心競爭力牢牢掌握在自己手中，同時零部件供應商通過與主機廠深度合作，也能從中形成強大的技術儲備和市場話語權。
國內零部件廠商缺乏零部件原創性的開發能力，大多數走仿製的老路，對仿真軟體的認識水平參差不齊。主要呈現兩種極端：1、仿真無用論；2、仿真萬能論。仿真工程師從業人員素質低下，不理解CAE仿真底層技術原理，盲目迷信經驗或固執於狹隘淺顯的慣常認知，對仿真軟體的理解多停留在軟體基本操作和參數設置層面，嚴重缺乏仿真分析能力。另外由於國內企業仿真應用多以盜版軟體為主，工程師多自學成才，野蠻生長，缺乏系統全面的專業培訓，導致其對仿真認識存在很多誤區，甚至以訛傳訛。
國內企業對仿真軟體的使用主要分為以下三類用途：1、優化設計；2、交付甲方；3、增強公司品牌。僅有不到2%的前50強壓鑄企業選擇購買正版軟體，另有60%企業以優化設計為主，且囿於成本，多採用功能殘缺的盜版軟體。但是盜版軟體通常版本老舊且非漢化界面，故企業需尋找具備盜版軟體操作能力的專業人員，往往這類人員具有較高的行業競爭力，一般都會顯著增加企業用工成本。因此還存在另外一種業務形態：企業通過很多專門做模擬仿真的小微企業（個體戶為主），甚至兼職設計師，進行模擬仿真服務。上面兩種方式基本是中小企業的常態，不具備常態的研發設計能力，或者將研發設計能力完全外包出去。但可以明確的是，上述兩種方式都無法讓企業形成核心的競爭力。
作為產業鏈下遊零部件企業，無論從主機廠還是一級供應商，拿到訂單後通常工期已經非常緊迫。複雜零件如變速箱殼體，作為二級或三級供應商的壓鑄廠，從籤署訂單合同到第一批樣件的交付，周期大概為兩個月，而留給下遊的模具廠模具設計加工時間則不到1個月。考慮到機械加工環節缺乏彈性，因此為了保證工期，通常模具企業只會壓縮模具設計時間（一般為1-2周，取決於供應商的議價談判能力）。緊張的模具設計時間使得工程師無法對設計方案進行深入、系統的仿真評估，導致失敗的模具比比皆是，壓鑄企業利潤率低下的癥結正源於此。
綜合來看，國內核心零部件產業鏈自主化程度低，主要是由零部件及工裝模具的設計能力低下導致的，而這種軟實力的建立離不開數位化設計和仿真能力。大眾汽車在狼堡的鑄造公司，採用自主研發的拓撲優化技術進行鑄件設計和開發；而特斯拉的一體化鑄造技術，都是基於數位化建模和仿真技術所取得的顛覆式創新。
自主可控的破局
實現汽車核心零部件產業鏈自主可控還是要從底層出發，藉助數位化建模、仿真軟體和技術實現原發性創新，才能避免邯鄲學步的窘境。而依靠數位化建模和仿真能力，完全照搬國外現成的模式是不現實的。通過自身成熟的軟體體系和用盜版培育的市場戰略，以法國達索、德國西門子、美國PTC為首的歐美公司，在我國CAD市場佔有率高達90%以上，而在仿真軟體CAE市場領域，歐美公司的佔有率更是高達95%以上。儘管國外軟體在市場佔有率很高，但也給國內軟體留下很多機會。
首先，國外軟體費用高昂，顯著增加企業成本；其次，國外仿真軟體技術很大程度面臨水土不服的問題，軟體要匹配工程師水平。國外仿真軟體脫胎於其國家工業企業現狀和工程師水平，是和其國企業的發展水平保持一致的。國外仿真軟體無法提供深入的技術支持和工程諮詢服務，這也使得CAE應用水平大打折扣。這些都是可以拓展的空間。
工業軟體，尤其是建模仿真類軟體，一定不能脫離工業現實，無論底層技術還是商業模式，都要符合本國工業發展水平和自身需求。建立自主可控的CAE仿真軟體生態是破局的關鍵。通過研發符合中國工業發展水平和工程師技術水平，且根植於自身工業發展需求的仿真軟體，加上引入雲計算服務等創新模式，才能讓建模仿真成為企業日常研發流程的一部分。而這正是中國零部件強身健體的關鍵一環。
作者簡介
作 者
張 偉：北京適創科技有限公司市場總監
郭志鵬：北京適創科技有限公司創始人、CEO
編 審
林雪萍：北京聯訊動力諮詢公司總經理